用单个传声器移动结合内积运算识别声源的方法技术

本发明专利技术公开声源识别技术领域中的一种用单个传声器移动结合内积运算识别声源的方法，使用一个传声器进行声源的识别，在移动过程中采集声压信号，由于实际点声源的相位信息无法确定，采集得到的信号在时域上构不成相关关系，因此采用整周期采样，在信号的频域上找到相关关系，进而运用内积运算识别出实际点声源的位置；与传声器阵列相比，不存在相位匹配，成本低；对于高中低频声源识别分辨率高，不会产生空间混叠。

【技术实现步骤摘要】
用单个传声器移动结合内积运算识别声源的方法
本专利技术涉及声源识别技术，具体是用单个传声器移动来识别声源的方法，以获得声源的位置。
技术介绍
声源识别是噪声控制工程的重要内容之一，在产品的低噪声设计和声学故障诊断等方面有着重要的应用。通过声源识别获得声源的位置，进而可以获得声源的强度等信息，从声源环节降低噪声是有效的噪声控制途径；通过分析声信号来获得机械设备运转的信息，能够及时发现故障避免损失。目前的声源识别方法主要有近场声全息技术和波束形成方法，这些方法都采用传声器阵列采集声压信号，通常使用传声器阵列识别声源时传声器阵列是静止不动的，为了解决波束形成法中低频声源识别分辨率低、高频声源易产生空间混叠等问题，也会采用移动传声器阵列采集信号。传声器阵列多则有数百个传声器构成，少则一般也有数十个传声器组成，使用传声器阵列进行测量，技术上要求各传声器之间相位匹配，测量成本高。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了解决现有采用传声器阵列识别声源存在的问题，提出一种用单个传声器移动结合内积运算识别声源的方法，不存在相位匹配要求的问题，测量成本低。本专利技术所述的用单个传声器移动结合内积运算识别声源的方法采用的技术方案是依次采用以下步骤：步骤1：采用移动的传声器检测实际点声源的频率f和周期T；步骤2：让传声器沿着设定的路线匀速运动，采集实际点声源的时域声压p(t)信号；步骤3：将时域声压p(t)信号等时间间隔分成n段，将每段的声压pi(t)信号都逐一与函数e-jωt做内积运算得到第i段的声压频域值pi(ω)，构成实际点声源声压向量p；ω＝2πf；e为自然对数的底数；j是虚数；t是移动的传声器在时刻t接收声压信号；步骤4：在实际点声源可能存在的区域进行网格划分，在网格的节点上假设存在一个虚拟声源；步骤5：获得虚拟声源向对移动的传声器产生的声压pv(t)和相应的第i段频域值pvi(ω)，构成虚拟声源声压向量pv；步骤6：对向量pv做归一化处理得到向量ev；步骤7：将向量p与向量ev做内积运算后再计算得到内积模||<p,ev>||，搜索出内积模的最大值处的位置坐标：步骤8：在内积模最大值位置的周围区域划分更细密的网格，重复步骤5至步骤8，获得细化后的内积模最大值处的位置坐标：步骤9：判断得到细化后的内积模最大值处的位置坐标是否达到需要的精度，若是，则该内积模最大值处所对应的位置即为识别出的实际点声源位置。本专利技术仅使用一个传声器进行声源的识别，在移动过程中采集声压信号，由于实际点声源的相位信息无法确定，采集得到的信号在时域上构不成相关关系，因此采用整周期采样，在信号的频域上找到相关关系，进而运用内积运算识别出实际点声源的位置。与传声器阵列相比，不存在相位匹配，成本低。对于高中低频声源识别分辨率高，不会产生空间混叠。附图说明以下结合附图和具体实施方式对本专利技术作进一步详细说明；图1是平面声源识别时的示意图；图2是空间声源识别时的示意图；图3是本专利技术的流程图。具体实施方式参见图1，空间中存在一个实际点声源，实际点声源的频率为f，实际点声源会向周围产生声压辐射，实际点声源对以速度v匀速运动的传声器产生的声压p(t)信号为：式(1)中，A为声源强度，r(t)为移动的传声器在t时刻与实际点声源的距离，ω＝2πf为声波角频率，k为波数，为声源初始相位，e为自然对数的底数，j表示虚数；t1＝t-r(t)/c，c为声音在空气中的传播速度，移动的传声器在时刻t接收到的声压信号是实际点声源在t1时刻发出的声压信号。假设空间中任意位置存在一个虚拟声源，设虚拟声源的强度为1，初相位为0，同样该虚拟声源对以速度v匀速运动的传声器产生声压辐射，辐射声压pv(t)为：式(2)中，tv1＝t-rv(t)/c，rv(t)表示虚拟声源在t时刻与传声器的距离。由于实际点声源的相位信息未知，与虚拟声源的相位不同，实际点声源的声压p(t)信号和虚拟声源的声压pv(t)信号在时域上构不成相关关系，为了找到相关关系，将实际点声源的时域信号转换到频域。把整个采样信号等时间间隔地分成n段，每段的时间长度为Ts，以某一段信号为例，与e-jωt做内积运算，得到内积运算的结果是第i段的声压频域值pi(ω)为:式(3)中，1＜i≤n，ti表示选取的第i段信号的起始时刻，Ts+ti是第i段信号的结束时刻，dt为积分运算符号。传声器移动的速度v相对于声速c是一个小量，同时由于采样快，每段采样时间短，在时间Ts内可以将r(t)近似为一个定值r，这样公式(3)的后一项负频率项的积分可以写为：取Ts为实际点声源的声压信号周期的整数倍,使得公式(4)积分结果近似为0，此时实际点声源声压的第i段的声压频域值pi(ω)为：用同样的方法对虚拟声源的声压pv(t)信号进行处理，也等时间间隔地分成n段，其对应的虚拟声源声压的第i段频域值pvi(ω)为：当虚拟声源与实际点声源位置重合时，r(t)与rv(t)相同，pi(ω)与pvi(ω)成比例，此时便找到了一种相关关系。本专利技术利用当虚拟声源与实际点声源位置重合时，r(t)与rv(t)相同、pi(ω)与pvi(ω)成比例的这种相关关系，结合内积运算进行声源识别。对每段信号都进行处理，将n段信号的频域值按分段顺序整合成实际点声源声压的向量p[p1(ω),p2(ω),...,pi(ω),...,pn(ω)]，虚拟声压信号按同样的方法整合成虚拟声源声压的向量pv[pv1(ω),pv2(ω),...,pvi(ω),...,pvn(ω)]，再对其进行归一化处理：式(7)中||pv||表示向量pv的模。将向量p与向量ev进行内积运算<p,ev>，得到二者的内积模||<p,ev>||。根据柯西施瓦兹定理可知，当且仅当向量p和向量ev线性相关时内积模取得最大值，运用优化算法在实际点声源所在区域内搜索内积模的最大值，取得最大值时对应的虚拟声源的位置即是实际点声源的位置，从而完成声源位置的识别。具体步骤如下：1、采用移动的传声器检测实际点声源的频率。在移动传声器之前，先让传声器静止在一点位置，采集实际点声源的声压信号，然后通过傅里叶变换得出实际点声源的频率f和周期T。2、让传声器沿着设定的路线匀速运动，在运动过程中采集数据，得到实际点声源的声压p(t)信号，该信号是时域信号。3、对得到的时域声压p(t)信号进行等时间间隔分段，分成n段，每一段信号的时间长度为Ts，Ts为声压信号周期T的整数倍。将每段的声压pi(t)信号都逐一与函数e-jωt做内积运算得到第i段的声压频域值pi(ω)：ti是第i段信号的起始时刻；e为自然对数的底数；j表示虚数；ω＝2πf，为声波角频率；t是移动的传声器在时刻t接收声压信号；dt为积分运算符号。将运算结果逐一按顺序整合构建成关于实际点声源声压向量p[p1(ω),p2(ω),...,pi(ω),...,pn(ω)]。4、在实际点声源可能存在的区域，首先用粗略的网格进行划分，在网格的节点上假设存在一个点声源，设该点声源的强度为1，相位为0，称这个点声源为构建的虚拟声源。5、虚拟声源向周围产生声压辐射，通过计算可以获得其对移动的传声器产生虚拟声源的声压pv(t)为：式(9)本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用单个传声器移动结合内积运算识别声源的方法，其特征是依次采用以下步骤：步骤1：采用移动的传声器检测实际点声源的频率f和周期T；步骤2：让传声器沿着设定的路线匀速运动，采集实际点声源的时域声压p(t)信号；步骤3：将时域声压p(t)信号等时间间隔分成n段，将每段的声压pi(t)信号都逐一与函数e‑jωt做内积运算得到第i段的声压频域值pi(ω)，构成实际点声源声压向量p；ω＝2πf；e为自然对数的底数；j是虚数；t是传声器接收声压信号的时刻；步骤4：在实际点声源可能存在的区域进行网格划分，在网格的节点上假设存在一个虚拟声源；步骤5：获得虚拟声源向对移动的传声器产生的声压pv(t)和相应的第i段频域值pvi(ω)，构成虚拟声源声压向量pv；步骤6：对向量pv做归一化处理得到向量ev；步骤7：将向量p与向量ev做内积运算后再计算得到内积模||

【技术特征摘要】
1.一种用单个传声器移动结合内积运算识别声源的方法，其特征是依次采用以下步骤：步骤1：采用移动的传声器检测实际点声源的频率f和周期T；步骤2：让传声器沿着设定的路线匀速运动，采集实际点声源的时域声压p(t)信号；步骤3：将时域声压p(t)信号等时间间隔分成n段，将每段的声压pi(t)信号都逐一与函数e-jωt做内积运算得到第i段的声压频域值pi(ω)，构成实际点声源声压向量p；ω＝2πf；e为自然对数的底数；j是虚数；t是传声器接收声压信号的时刻；步骤4：在实际点声源可能存在的区域进行网格划分，在网格的节点上假设存在一个虚拟声源；步骤5：获得虚拟声源向对移动的传声器产生的声压pv(t)和相应的第i段频域值pvi(ω)，构成虚拟声源声压向量pv；步骤6：对向量pv做归一化处理得到向量ev；步骤7：将向量p与向量ev做内积运算后再计算得到内积模||<p,ev>||，搜索出内积模的最大值处的位置坐标：步骤8：在内积模最大值位置的周围区域划分更细密的网格，重复步骤5至步骤8，获得细化后的内积模最大值处的位置坐标：步骤9：判断得到细化后的内积模最大值处的位置坐标是否达到需要的精度，若是，则该内积模最大值处所对应的位置即为识别出的实际点声源位置。2...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵晓丹，张涵，时海涛，董非，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32